‘탄소 주범’ 비료 공정 바꾼다⋯포스텍·KENTECH·KAIST, 그린 암모니아 혁신

연구 이미지. /포스텍 제공

전 세계 탄소 배출량의 약 1.4%를 차지하며 ‘지구 온난화의 주범’ 중 하나로 지목받아온 암모니아 생산 공정을 획기적으로 개선할 수 있는 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 

포항공과대학교(POSTECH)·한국에너지공과대학교(KENTECH)·한국과학기술원(KAIST) 공동 연구팀은 20일 차세대 암모니아 생산 기술인 ‘리튬 매개 질소 환원 반응(Li-NRR)’의 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올리는 데 성공했다고 밝혔다.

현재 전 세계에서 연간 약 2억t 생산되는 암모니아는 비료와 화학 산업의 핵심 원료다. 하지만 20세기 초 개발된 ‘하버-보슈(Haber-Bosch)’ 공법은 500℃ 이상의 고온과 200기압 이상의 고압이 필수적이라 막대한 화석연료를 소모한다.

이에 따른 대안으로 최근 전기를 이용해 상온·상압에서 암모니아를 만드는 Li-NRR 기술이 주목받아 왔다. 하지만 전극 표면이 불안정해 주입한 전기 에너지가 암모니아 생성 대신 엉뚱한 부반응으로 새 나가는 것이 고질적인 문제였다.

연구팀은 문제의 원인이 전극 표면의 ‘음이온 반발 현상’에 있음을 밝혀냈다. 전극 가까이 암모니아 생성에 필요한 성분들이 모여야 하는데 기존 구조에서는 이들이 자석의 같은 극처럼 서로 밀려나며 반응 효율이 떨어졌던 것이다.

연구진은 전해질에 소량의 양전하 고분자 물질을 첨가하는 역발상을 적용했다. 전극 표면에 양전하 환경을 조성하자 반응에 필요한 음이온들이 안정적으로 모여들며 ‘반응 가속로’가 형성됐다. 그 결과 전기 에너지가 실제 암모니아 생성에 쓰이는 비율인 ‘파라데이 효율’이 90%를 돌파했다.

이는 기존 대비 생성 속도를 2배 이상 높인 수치다. 특히 다양한 전압 조건과 장시간 구동에서도 안정성이 유지된다는 점이 입증됐다. 용기중 포스텍 교수는 “이번 성과는 탄소 배출 없는 암모니아 생산의 상용화를 앞당길 중요한 발판”이라며 “비료 생산의 탈탄소화는 물론 미래 에너지 저장 시스템 구축에도 크게 기여할 것”이라고 말했다.

/단정민기자 [e-mail]